敵人遺屍遍地，還是整群成團地向我軍陣地上湧來，炮火沒有間歇，部隊不分隊形。中午，我三山店、交界墩的阻擊部隊傷亡殆盡，陣地被敵人強占。下午4點，界牌又被敵人占領。隨後，天馬山、覆浮山、蛤蟆崮全線告急，敵人已攻上天馬山的山腰。接著，部隊與指揮所失去聯係。
葉飛手裏已沒有預備隊，別的部隊也趕調不及，怎麼辦？正在天馬山危急之時，有一支部隊在山溝裏向東急進，這是我第4縱隊第38團的1個營。廖政國立即命令該營即刻趕援天馬山。並指著天馬山說：“天馬山陣地的得失，關係重大。如果敵人打通聯係，全局皆輸。我手裏隻剩下七八個警衛員，隻有使用所有到達這個地區的部隊。”那位營長考慮了一下說：“好，為了整體利益，我們執行你的命令。”這個營趕到天馬山，和守軍一起，終於將敵擊退。
十、許世友：你們師長當團長，團長當營長，帶頭衝
擔任正麵攻擊的，是陶勇司令員率領的第4縱隊和許世友司令員率領的第9縱隊。他們於5月13日夜向敵整編74師發起反擊，經過激戰，一舉占領黃鹿寨，佛山、馬牧池、隋家店等要地，進逼孟良崮、蘆山地區。
自13日晚，敵整編74師各前沿據點被我軍攻占後，師長張靈甫仍全力執行其原定於14日上午進占坦埠的計劃。不久，得知我第9縱隊攻占馬牧池之後，又猶豫不定。14日10時，得知我第8縱隊占領天馬山，並向萬泉山進擊，第6縱隊向垛莊進擊時，張靈甫如夢方醒，見勢不妙，立即部署部隊向垛莊、孟良崮地區收縮，準備固守。同時組織其部隊向迂回右翼的第1縱隊反擊，企圖向國民黨軍整編65師及第2、第3兵團靠攏。但為時已晚。
我軍發現敵人有後撤的征候，立即乘勝猛攻。原來處於進攻態勢的敵人，突然收縮後撤，又遭我軍追擊、側擊，道路全被切斷，無法退回垛莊，被迫於當夜將主力龜縮在蘆山、孟良崮的狹窄山區，部隊無糧無水，陷入絕境。
15日這天，我軍集中主力四麵圍殲縮在蘆山、孟良崮的整編74師。敵我雙方都是以主力對主力，以進攻對進攻，都期求全力、快速戰勝對方。我華野如不能在很短的時間內消滅敵整編第74師，將陷於被動地位。在這關鍵時刻，華野首長對全體參戰部隊下了最堅決的命令。陳老總發出號召：“殲滅整編74師，活捉張靈甫”。
根據戰場情況，我華野指揮部進一步調整了部署，於15日13時發起總攻。我軍在強大炮火掩護下，從四麵八方像潮水一樣湧向敵人陣地。敵人拚死頑抗，我攻擊部隊同敵人攪成一團，展開白刃格搏，每一陣地都經過反複爭奪，幾次易手。我參戰部隊以“攻上孟良崮，活捉張靈甫，殲滅整編74師”為目標，前赴後繼，奮勇爭先，越戰越勇。各部隊都采取縱深梯次部署，不斷增強後勁，保持連續衝擊，越戰越強，敵人開始頑強抵抗，以後漸漸支持不住了，張靈甫曾經夢想的”‘中央開花”成了泡影。
與此同時，敵增援部隊在我阻擊部隊的頑強防禦和積極反擊下，或被殲滅，或傷亡慘重。其中敵人的兩支王牌部隊整編11師和第5軍被我軍第3、第10縱隊如鐵鉗般緊緊咬住，移動十分困難。由於我阻援部隊頑強作戰，敵軍各部隊以為遭到我主力部隊的圍攻，都呼叫對方向自己增援。求援無望，張靈甫隻好企圖突圍逃命。開始向東南，想向整編第83師靠攏，但立即被我第8縱隊擊退；接著改向西突圍，欲向整編第25師靠攏，又被我第1、笫6縱隊擊退，黃昏後，其殘部龜縮在520高地至蘆山一線的溝、崮之中，作困獸鬥。
敵人臨時占領了蘆山、盂良崮陣地，滿山都是岩石，難以構築工事，人員、馬匹、輜重完全暴露在我軍的強大火力之下。敵人空投的糧、彈也多半落在其陣地之外，為我軍所獲。整編74師連日來傷亡累累，棄屍遍野，殘存的又陷於內無糧草、外無援兵的絕境，亂成一團。
我攻擊部隊集中強大炮火猛轟敵群，山上一片火海，血肉橫飛，敵整編第74師的人馬東躲西藏，爭相逃命，戰鬥隊形完全混亂。張靈甫和他的少數人員藏在一個山洞裏，拚命向南京呼救。我各路攻擊部隊乘機突入敵人陣地，以白刃格鬥消滅頑抗殘敵。
5月16日，戰鬥進至白熱化階段。9縱隊指揮部隨部隊進展靠前指揮，這是9縱司令員許世友的一貫作風。我9縱25師同26師合力攻擊，奮勇衝殺，與敵人展開白刃戰，戰鬥異常激烈。有的山頭反複爭奪，達十五六次之多。